JP6350036B2

JP6350036B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6350036B2
Application number: JP2014134694A
Authority: JP
Inventors: 裕記大河原; 遠藤　聡; 聡遠藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: EP2963727A1; JP2016012527A; EP2963726A1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの１形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、水素リッチガスを生成する燃料処理装置（改質器）２０と、燃料電池本体（燃料電池モジュール）２１とを含む本体（筐体）１０と、本体１０に設けられ外部との空気の吸排気を行う吸排気装置とを有している。この吸排気装置は、外部から空気を導入する外管ダクト部材１１ｂと、燃焼排気、カソードオフエア及び機内換気エアをガス混合部１７で混合して外部に放出する内管ダクト部材１１ａとを有しており、内管ダクト部材１１ａの外壁を、外壁との間に換気通路を確保して外管ダクト部材１１ｂでおおった２重管ダクト構造を形成している。また、内管ダクト部材１１ａのガス混合部１７に排気ファン１６が設けられ、混合された燃焼排気、カソードオフエア及び機内換気エアを強制排気することが記載されている。そして、本体１０内でガス漏れが起きても、排気ファン１６により吸引換気されて、本体１０の外部よりも低い圧力に保たれているため、本体１０から外部へのガスの噴出を防止することができるとする。

特許文献２に示されているものは、燃料電池システムの排気通路の接続構造についてのものであり、特許文献２の図２に示されているように、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａとボイラー１２の排気出口１２Ａとに接続し、燃料電池ユニット１１の排気ガスとボイラー１２の排気ガスとを合流させる排気通路１３を備え、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａが、ボイラー１２の排気出口１２Ａよりも上方に配置されていることが記載されている。排気通路の外壁を排気通路に沿って、外壁との間で換気通路を確保してさらに換気通路の外壁で覆う２重管ダクト構造が形成されている。これにより、排気通路１３内の排気ガス凝縮によって生じる水滴が、燃料電池ユニット１１へ混入することを抑制できるとする。また、燃焼空気をポンプ３６で吸引するとともに、カソードエアをポンプ３７で吸引することで、吸気ダクトの吸気入口１１Ｂよりエアを吸い、燃焼排気、カソードオフガスを排気ダクトの排気出口１１Ａより燃料電池ユニット１１の筐体外に放出する構成が記載されている。

特開２００６−２５３０２０号公報特開２０１２−１９９０６８号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、特許文献１の図１に示すように、内管ダクト部材１１ａのガス混合部１７に排気ファン１６が設けられ、混合された燃焼排気、カソードオフエア及び機内換気エアを排気ファン１６によって強制排気している。しかし、燃料電池システムの停止により混合部１７に設けられた排気ファン１６が停止すると、外部の燃焼排ガス（例えば燃料電池システムに並設されたボイラーの燃焼排ガス）が内管１１ａを通って筐体（発電装置本体）内に逆流するおそれがある。

また、特許文献２に記載されている燃料電池システムでは、ボイラーが並設されているので、燃料電池システムが停止しているときに、ボイラーからの燃焼排ガスが、燃料電池システム内に逆流するおそれがある。このような燃焼排ガスの燃料電池システム内への逆流を防止するため、燃料電池システムの排気出口付近に外部から燃料電池システム内への排気の逆流を防止する逆止弁を設けることが考えられる。しかし、単に燃料電池システムの排気出口付近に逆止弁を設けただけでは、逆止弁によって何らかの異常が生じた場合、生じた異常が逆止弁に基づく異常であるのか否かを特定するのは困難である。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、換気排気ラインおよび燃焼排気ラインに逆止弁を設けることで、筐体の外部からの燃焼排ガスが筐体内部に逆流することを防ぐとともに、燃料電池システムの運転に異常が生じた際に、異常が検出された状況から、逆止弁の故障であることを容易に特定することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料電池からのアノードオフガスと前記燃料電池からのカソードオフガスとが燃焼されて燃焼排ガスを生成する燃焼部と、断熱性材料で形成されて前記燃料電池および前記燃焼部を内部に気密に収容するケーシングと、前記ケーシングを内部に収容する筐体と、前記筐体に設けられ外部からの気体を吸い込む吸気部および前記筐体に設けられ該筐体内の気体を排出する排気部を備え、前記吸気部から導入した外部からの空気が前記筐体内部を流通して前記排気部から導出する換気排気ラインと、前記筐体と前記燃料電池とを連通して前記筐体内の前記酸化剤ガスを含む空気を前記燃料電池に供給するカソードエア供給管、および前記燃焼部と前記筐体の外部とを連通して、前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを外部に導出する排気管を備え、前記換気排気ラインの途中から分岐して独立に設けられた燃焼排気ラインと、前記換気排気ラインに設けられ前記筐体の外部からの燃焼排ガスが前記排気部を通って前記筐体内部に逆流することを防ぐ換気排気逆止弁と、
前記燃焼排気ラインに設けられ前記筐体の外部からの燃焼排ガスが前記排気管を通って前記筐体内部に逆流することを防ぐ燃焼排気逆止弁と、を備え、前記燃焼排気逆止弁は、前記燃焼排気ラインの入口側に設けられている。

これによると、換気排気ラインに設けられた換気排気逆止弁および燃焼排気ラインに設けられた燃焼排気逆止弁によって、筐体の外部からの燃焼排ガスが換気排気ラインの排気部や燃焼排気ライン排気管を通って筐体内部に逆流することを防ぐことができる。
これに加えて換気排気ラインおよび燃焼排気ラインの夫々に逆止弁（換気排気逆止弁・燃焼排気逆止弁）を設けることで、燃料電池システムの運転に異常が生じた際に、異常が検出された状況から、どちらの逆止弁の故障であるかを容易に特定することができる。
また、燃焼排気逆止弁は、外部の燃焼排ガスが直接的に接することのない筐体内に設けられていることとなる。そのため、外部からの燃焼排ガスに含まれる水蒸気などによって燃焼排気逆止弁が劣化することを抑制することができる。

請求項２に係る発明は、前記換気排気逆止弁は、前記換気排気ラインの出口側に設けられている請求項１に記載の燃料電池システムとしている。
これによると、換気排気ラインの出口側に設けられた換気排気逆止弁が閉状態となる故障が生じた場合、換気排気ラインの入口側からは、燃焼排気ラインで使用される空気が筐体内に流入され筐体内が換気されるので、換気排気逆止弁が換気排気ラインの入口側に設けられた場合と比較して、筐体内の異常な温度上昇を抑制することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼排気ラインを流れる気体の流量を検出する流量検出装置と、前記流量検出装置によって検出された前記気体の流量から、前記燃焼排気ラインの異常を検出する燃焼排気ライン異常検出部と、をさらに備えている。
これによると、燃焼排気ライン異常検出部は、流量検出装置によって検出された気体の流量から燃焼排気ラインの異常を検出することができる。よって、燃焼排気逆止弁が閉状態となる故障が生じ、燃焼排気ラインの閉塞が発生した場合、燃焼排気ラインの異常を検出することができる。その結果、燃焼排気逆止弁の故障を特定することが可能となる。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体内に設けられ前記筐体内の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置と、前記可燃ガス濃度検出装置によって検出された前記可燃ガス濃度から、前記筐体内の可燃ガス濃度の異常を検出する第一筐体内異常検出部と、をさらに備えている。
これによると、第一筐体内異常検出部は、可燃ガス濃度検出装置によって検出された可燃ガス濃度から筐体内の可燃ガス濃度の異常を検出することができる。よって、換気排気逆止弁が閉状態となる故障が生じ、筐体内の換気ができなくなって、ケーシングから可燃ガスが筐体内に流出している場合には、筐体内の異常を検出することができる。その結果、換気排気逆止弁の故障を特定することが可能となる。

請求項５に係る発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体内に設けられ前記筐体内の温度を検出する温度検出装置と、前記温度検出装置によって検出された前記筐体内の温度から、前記筐体内の温度の異常を検出する第二筐体内異常検出部と、をさらに備えている。
これによると、第二筐体内異常検出部は、温度検出装置によって検出された筐体内の温度から筐体内の温度の異常を検出することができる。よって、換気排気逆止弁が閉状態となる故障が生じ、筐体内の換気ができずに筐体内の温度が上昇した場合、筐体内の異常を検出することができる。その結果、換気排気逆止弁の故障を特定することが可能となる。

本発明による燃料電池システムとボイラーとの排気が煙突で連結された状態を示す概要図である。第１実施形態の燃料電池システムの概要を示す概要図である。燃焼排気逆止弁の故障を特定する手順を示すフローチャートである。筐体内の温度から換気排気逆止弁の故障を特定する手順を示すフローチャートである。筐体内の可燃ガス濃度から換気排気逆止弁の故障を特定する手順を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システムの概要を示す概要図である。第３実施形態の燃料電池システムの概要を示す概要図である。

（実施例１）
以下、本発明による燃料電池システムの第１実施形態について説明する。図２に示すように、燃料電池システム１００は、発電ユニット１０、および貯湯槽２１を備えている。また、図１に示すように、燃料電池システム１００は、ボイラー１８を並設している。このボイラー１８は、例えば、炭化水素系の原料ガスを給湯のために空気とともに燃焼させて使用するものであり、ボイラー１８の煙突１８ａは、燃料電池システム１００の煙突部５３と連通した構造となっている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。

燃料電池モジュール１１は、図２に示すように、燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図２にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通り燃焼排ガス用排気口１０ｅを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機や後述する制御装置１５に出力する。補機は、燃料電池モジュール１１に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動の改質水ポンプ１１ｂ１，原料ポンプ１１ａ１、換気ファン４２よびカソードエアブロワ１１ｃ１などから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３、燃料電池３４および燃焼部３６を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。

蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

燃料電池３４は、燃料電池３４の温度を検出する温度センサ３４ｄを備えている。温度センサ３４ｄは、その検出結果を制御装置１５に送信するようになっている。
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエア供給管１１ｃには、カソードエア供給管１１ｃの中を流れる気体（カソードエア）の流量を検出する流量検出装置としての流量センサ１１ｃ２が設けられている。流量センサ１１ｃ２によって検出された流量値は、燃焼排気ライン異常検出部としての制御装置１５に信号として出力される。制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１により送出されるカソードエアの流量を制御する。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。また、燃焼部３６には、燃焼部３６の温度を検出するための一対の温度センサ３６ｂ１，３６ｂ２が設けられている。温度センサ３６ｂ１，３６ｂ２の検出結果（出力信号）は制御装置１５に送信されている。

筐体１０ａは、中パネル１０ｂによって燃料電池室Ｒ１と排気ダクト室Ｒ２に区画されている。燃料電池室Ｒ１内には、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５が配置されている。排気ダクト室Ｒ２内には、換気排気用ダクト５１および燃焼排気用ダクト５２が配置されている。

中パネル１０ｂは、燃料電池室Ｒ１内に外気を吸い込むための吸気部としての吸気口１０ｃ、燃料電池室Ｒ１内の空気を外部に排出するための排気部としての換気用排気口１０ｄ、および熱交換器１２からの燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス用排気口１０ｅが形成されている。換気用排気口１０ｄには、換気排気逆止弁４１が設けられている。換気排気逆止弁４１は、燃料電池室Ｒ１から排気ダクト室Ｒ２への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。

吸気口１０ｃには、換気ファン４２が設けられている。換気ファン４２は、外部と排気ダクト室Ｒ２と連通する煙突部５３の外管５３ｂ（後述）からの外部の空気を燃料電池室Ｒ１内に導入するものである。換気用排気口１０ｄには、換気排気用ダクト５１が接続されている。換気排気用ダクト５１の他端は、煙突部５３の内管５３ａに接続されている。換気ファン４２が駆動されると、燃料電池室Ｒ１内の空気（換気排気）は、換気用排気口１０ｄ、換気排気用ダクト５１および煙突部５３の内管５３ａを通って外部に排出される（破線の矢印で示す）。

換気排気ラインＫＬは、筐体１０ａに設けられ外部からの気体を吸い込む吸気口１０ｃおよび筐体１０ａ内に設けられ該筐体１０ａ内の気体を排出する換気用排気口１０ｄを備えるものである。換気排気ラインＫＬは、吸気口１０ｃから換気ファン４２により導入した外部からの空気を筐体１０ａ内部に区画された燃料電池室Ｒ１内で流通させて換気用排気口１０ｄから導出する。

燃焼排ガス用排気口１０ｅには、燃焼排気逆止弁４３が設けられている。燃焼排ガス用排気口１０ｅには、燃焼排気用ダクト５２の一端が接続されている。燃焼排気用ダクト５２の他端は、換気排気用ダクト５１に合流されている。燃焼排気逆止弁４３は、排気管１１ｄから燃焼排気用ダクト５２への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。燃料電池システム１００の発電中において、燃料電池モジュール１１から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス用排気口１０ｅ、および燃焼排気用ダクト５２を通って換気排気用ダクト５１に導出され（一点鎖線の矢印で示す）、換気排気と合流されて、換気排気用ダクト５１および煙突部５３の内管５３ａを通って外部に排出される。

燃焼排気ラインＮＬは、筐体１０ａと燃料電池３４とを連通して筐体１０ａ内の酸化剤ガスを含む空気を燃料電池３４に供給するカソードエア供給管１１ｃ、および燃焼部３６と筐体１０ａの外部とを連通して、燃焼部３６で生成された燃焼排ガスを外部に導出する排気管１１ｄを備えるものである。燃焼排気ラインＮＬは、換気排気ラインＫＬの途中からカソードエア供給管１１ｃによって分岐して独立に設けられている。

筐体１０ａ内で中パネル１０ｂによって区画された燃料電池室Ｒ１には、燃料電池室Ｒ１内の温度を検出する温度検出装置としての温度センサ１１ｆ、燃料電池室Ｒ１内の可燃ガスの濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置としての可燃ガス濃度センサ１１ｇを備えている。温度センサ１１ｆが検出した温度の値は、信号として第二筐体内異常検出部としての制御装置１５に出力される。可燃ガス濃度センサ１１ｇが検出した可燃ガス濃度の値は、信号として第一筐体内異常検出部としての制御装置１５に出力される。

煙突部５３は、内管５３ａと外管５３ｂとからなる２重管構造で構成されている。内管５３ａと外管５３ｂとの間に、吸気用流路ＦＰ１が形成されている。吸気用流路ＦＰ１は、外部と排気ダクト室Ｒ２と連通している。外気は、吸気用流路ＦＰ１を通って排気ダクト室Ｒ２内に流入（吸気）される。

また、前記制御装置１５には、上述した温度センサ１１ｆ，３３ａ，３３ｂ，３４ｄ，３６ｂ１，３６ｂ２、流量センサ１１ｃ２、可燃ガス濃度センサ１１ｇ、改質水ポンプ４１ａ、原料ポンプ１１ａ１、カソードエアブロワ１１ｃ１、換気ファン４２および着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が接続されている。制御装置１５はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システム１００の運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システム１００の基本的動作の一例について説明する。制御装置１５は、スタートスイッチ（図示なし）が押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転（暖気運転）を開始する。

起動運転が開始されるときは、制御装置１５は、補機を作動させる。具体的には、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ１，改質水ポンプ１１ｂ１を作動させ、蒸発部３２に改質用原料および凝縮水（改質水）の供給を開始する。また、カソードエアブロア１１ｃ１を作動させ、燃料電池３４にカソードエアの供給を開始する。そして、燃焼部３６において、燃料電池３４から導出されたアノードオフガスが着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２によって着火される。改質部３３や燃料電池３４などが所定温度以上となれば、起動運転が終了し、発電運転を開始する。発電運転中では、制御装置１５は、燃料電池３４の発電する電力が、外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように補機を制御して、改質ガスおよびカソードエアを燃料電池３４に供給する。

このような発電運転中に、ストップスイッチ（図示なし）が押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって運転が停止される場合には、制御装置１５は、燃料電池システム１００の停止運転（停止処理）を実施する。制御装置１５は、改質用原料および凝縮水の蒸発部３２への供給を停止し、改質ガスおよびカソードエアの燃料電池３４への供給を停止する。

このような停止運転が終了すると、燃料電池システム１００は待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システム１００の発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。

上記燃料電池システム１００の停止運転により、燃料電池３４へカソードエアの供給が停止した状態で燃料電池システム１００に並設されたボイラー１８が使用されると、燃料電池システム１００の煙突部５３はボイラー１８の煙突１８ａと連通しているので、ボイラー１８の燃焼で生成された燃焼排ガスが煙突部５３の内管５３ａに流入する。

しかし、本実施形態においては、筐体１０ａ内の燃料電池室Ｒ１から内管５３ａへの換気排気をおこなう換気用排気口１０ｄには換気排気逆止弁４１が設けられている。そのため、内管５３ａまで流入したボイラー１８の燃焼排気ガスが燃料電池室Ｒ１内まで逆流することを防止することができる。

また、排気管１１ｄから内管５３ａへ燃焼排ガスの排気を行う燃焼排ガス用排気口１０ｅには燃焼排気逆止弁４３が設けられている。そのため、内管５３ａまで流入したボイラー１８の燃焼排気ガスが排気管１１ｄ或いは排気管１１ｄを経て燃料電池室Ｒ１の室内まで逆流することを防止することができる。

また、前述の起動運転において、制御装置１５は、燃焼排気逆止弁４３による閉状態での故障を、図３に示すように、以下の手順に基づいて特定する。
まず、制御装置１５は、外部電力負荷１６ｃに応じてカソードエア流量の制御目標値Ｑａを算出する（ステップＳ１０１（以下、「ステップＳ」を「Ｓ」と略記する。））。また、制御装置１５は、予めカソードエア流量の異常を示す閾値Ｑｚを設定して記憶する。
なお、燃焼排気逆止弁４３による閉状態での故障の特定は、起動運転中に限定されるものではなく、例えば深夜における発電運転中であってもよく、この場合、カソードエア流量の制御目標値Ｑａを最低発電量とすることができる。

制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１の駆動をフィードバック制御して、算出された制御目標値Ｑａのカソードエア流量となるように制御する（Ｓ１０２）。カソードエアブロワ１１ｃ１から送出されたカソードエアは、燃料電池３４の空気流路３４ｃを通って燃焼部３６に供給される。

次に、制御装置１５は、流量センサ１１ｃ２によってカソードエア供給管１１ｃを流れるカソードエアの流量を検出する（Ｓ１０３）。制御装置１５は、検出されたカソードエア流量Ｑが、燃焼排気ラインＮＬの異常（例えば、燃焼排気ラインＮＬの閉塞）、またはカソードエアブロワ１１ｃ１の異常を示す閾値Ｑｚ以下となっているか否かを判定する（Ｓ１０４）。

制御装置１５は、Ｓ１０４において、カソードエア流量Ｑが、を示す閾値Ｑｚ以下でないと判定された場合は、Ｓ１０２に戻って、制御目標値Ｑａのカソードエア流量をカソードエア供給管１１ｃより供給する。

制御装置１５は、Ｓ１０４において、カソードエア流量Ｑが、異常を示す閾値Ｑｚ以下であると判定された場合は、Ｓ１０５へ移行し、燃焼排気ラインＮＬの異常であることを検出し、その結果、燃焼排ガス用排気口１０ｅに設けられた燃焼排気逆止弁４３の閉状態の故障であると特定する（Ｓ１０６）。また、Ｑａで流量制御をしている際のカソードエアブロワのＤＵＴＹ値が所定ＤＵＴＹ以上となったことで異常であることを検出しても良い。制御装置１５は、燃焼排気逆止弁４３の閉状態の故障である旨を警報ランプ等によって通知し、この警報等によって制御は終了する。

前述の発電運転において、制御装置１５は、換気排気逆止弁４１による故障を以下の手順により特定する。
燃料電池室Ｒ１には、燃料電池室Ｒ１内の温度Ｔを検出する温度検出装置としての温度センサ１１ｆが設けられている。この場合、図４に示すフローチャートに基づいて換気排気逆止弁４１の故障を特定する。

換気用排気口１０ｄに設けられた換気排気逆止弁４１が閉状態で故障すると、燃料電池室Ｒ１内の空気は、換気用排気口１０ｄから外部に排出できなくなり、燃料電池モジュール１１内に導入される空気だけ吸気口１０ｃより燃料電池室Ｒ１内に導入され、燃料電池室Ｒ１内の換気が充分でなくなるおそれがある。そのため、高温発熱体である燃料電池モジュール１１やインバータ装置１３により、燃料電池室Ｒ１内の温度Ｔが上昇する。
まず、第二筐体内異常検出部としての制御装置１５は、温度センサ１１ｆにより燃料電池室Ｒ１内の温度Ｔを検出し（Ｓ２０１）、検出された温度Ｔが、予め設定した温度閾値Ｔｚと比較する（Ｓ２０２）。制御装置１５は、燃料電池室Ｒ１内の温度異常を検出し（Ｓ２０３）、ひいては、換気排気逆止弁４１の故障を特定することができる（Ｓ２０４）。

また、燃料電池室Ｒ１には、可燃ガスの濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置としての可燃ガス濃度センサ１１ｇが設けられている。この場合、図５に示すフローチャートに基づいて換気排気逆止弁４１の故障を特定する。
燃料電池モジュール１１から、万一、可燃ガスが燃料電池室Ｒ１内に漏れていた場合において、換気排気逆止弁４１が閉状態で故障すると、燃料電池室Ｒ１内の換気が不十分となるおそれがある。
そのため、まず第１筐体内異常検出部としての制御装置１５は、可燃ガス濃度センサ１１ｇによって可燃ガス濃度Ｇを検出し（Ｓ３０１）、制御装置１５は、可燃ガス濃度センサ１１ｇにより検出された室内の可燃ガス濃度Ｇを予め設定した可燃ガス濃度の所定閾値Ｇｚと比較する（Ｓ３０２）。制御装置１５は、燃料電池室Ｒ１内の可燃ガス濃度異常を検出し（Ｓ３０３）、その結果、換気排気逆止弁４１の故障を特定することができる（Ｓ３０４）。

上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、燃料電池３４からのアノードオフガスと燃料電池３４からのカソードオフガスとが燃焼されて燃焼排ガスを生成する燃焼部３６と、断熱性材料で形成されて燃料電池３４および燃焼部３６を内部に気密に収容するケーシング３１と、ケーシング３１を内部に収容する筐体１０ａと、筐体１０ａに設けられ外部からの気体を吸い込む吸気口１０ｃおよび筐体１０ａに設けられ該筐体１０ａ内の気体を排出する換気用排気口１０ｄを備え、吸気口１０ｃから導入した外部からの空気が筐体１０ａ内部を流通して換気用排気口１０ｄから導出する換気排気ラインＫＬと、筐体１０ａと燃料電池３４とを連通して筐体１０ａ内の酸化剤ガスを含む空気を燃料電池３４に供給するカソードエア供給管１１ｃ、および３６燃焼部と筐体１０ａの外部とを連通して、燃焼部３６で生成された燃焼排ガスを外部に導出する排気管１１ｄを備え、換気排気ラインＫＬの途中から分岐して独立に設けられた燃焼排気ラインＮＬと、換気排気ラインＫＬに設けられ筐体１０ａの外部からの燃焼排ガスが換気用排気口１０ｄを通って筐体１０ａ内部に逆流することを防ぐ換気排気逆止弁４１と、燃焼排気ラインＮＬに設けられ筐体１０ａの外部からの燃焼排ガスが排気管１１ｄを通って筐体１０ａ内部に逆流することを防ぐ燃焼排気逆止弁４３と、を備えている。

これによると、燃料電池システム１００の待機時において、換気排気ラインＫＬに設けられた換気排気逆止弁４１および燃焼排気ラインＮＬに設けられた燃焼排気逆止弁４３によって、筐体１０ａの外部からの燃焼排ガスが換気用排気口１０ｄ又は排気管１１ｄを通って筐体（燃料電池室Ｒ１）内部に逆流することを防ぐことができる。

また、このように換気排気ラインＫＬに換気排気逆止弁４１を設け、燃焼排気ラインＮＬに燃焼排気逆止弁４３を夫々設けることで、燃料電池システム１００の運転に異常が生じた際に、異常が検出された状況から、どちらの逆止弁４１，４３の故障であるかを容易に特定することができる。例えば、筐体（燃料電池室Ｒ１）内の温度が異常に上昇したり筐体内の可燃ガスの濃度が高くなったりした場合には、換気排気逆止弁４１が閉状態となった故障であると特定することができる。また、燃焼排気ラインＮＬの異常が検出された場合、燃焼排気逆止弁４３が閉状態となった故障であると特定することができる。

また、換気排気逆止弁４１は、換気排気ラインＫＬの出口側に設けられた換気用排気口１０ｄに設けられている。
これによると、換気排気ラインＫＬの出口側に設けられた換気排気逆止弁４１が閉状態となる故障が生じた場合、換気排気ラインＫＬの入口側からは、燃焼排気ラインＮＬで使用される空気が筐体１０ａ内に流入され筐体１０ａ（燃料電池室Ｒ１）内が換気されるので、換気排気逆止弁４１が換気排気ラインＫＬの入口側に設けられた場合と比較して筐体１０ａ内の異常な温度上昇を抑制することができる。

また、前記燃焼排気ラインＮＬを流れる気体の流量を検出する流量センサ１１ｃ２と、流量センサ１１ｃ２によって検出された気体の流量から、燃焼排気ラインＮＬの異常を検出する制御装置１５と、をさらに備えている。
これによると、制御装置１５は、流量センサ１１ｃ２によって検出された気体の流量から燃焼排気ラインＮＬの異常を検出することができる。よって、燃焼排気逆止弁４３が閉状態となる故障が生じ、燃焼排気ラインＮＬの閉塞が発生した場合、燃焼排気ラインＮＬの異常を検出することができる。その結果、燃焼排気逆止弁４３の故障を特定することが可能となる。

また、筐体１０ａ内に設けられ筐体１０ａ内の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度センサ１１ｇと、可燃ガス濃度センサ１１ｇによって検出された可燃ガス濃度から、筐体１０ａ内の可燃ガス濃度の異常を検出する制御装置１５と、をさらに備えている。
これによると、制御装置１５は、可燃ガス濃度センサ１１ｇによって検出された可燃ガス濃度から筐体１０ａ内の可燃ガス濃度の異常を検出することができる。よって、換気排気逆止弁４１が閉状態となる故障が生じ、筐体１０ａ内の換気ができなくなって、ケーシング３１から可燃ガスが筐体１０ａ内に流出している場合には、制御装置１５は、筐体１０ａ内の異常を検出することができる。その結果、換気排気逆止弁４１の故障を特定することが可能となる。

また、筐体１０ａ内に設けられ筐体１０ａ内の温度を検出する温度センサ１１ｆと、温度センサ１１ｆによって検出された筐体１０ａ内の温度から、筐体１０ａの温度の異常を検出する制御装置１５と、をさらに備えている。
これによると、制御装置１５は、温度センサ１１ｆによって検出された筐体１０ａ内の温度から筐体１０ａ内の温度の異常を検出することができる。よって、換気排気逆止弁４１が閉状態となる故障が生じ、筐体１０ａ内の換気ができずに筐体１０ａ内の温度が上昇した場合、制御装置１５は、筐体１０ａ内の異常を検出することができる。その結果、換気排気逆止弁４１の故障を特定することが可能となる。

なお、本実施形態において、燃焼排気逆止弁４３の取付け位置を、中パネル１０ｂの燃焼排ガス用排気口１０ｅとしたが、これに限定されず、例えば、燃焼排気用ダクト５２の上部であって、煙突部５３の内管５３ａに開口する位置に設けてもよい。

（実施例２）
次に、本発明による燃料電池システム１００の第２実施形態について図６に基づいて以下に説明する。
第１実施形態では、出口側に燃焼排気逆止弁４３を設けていたが、燃焼排気ラインＮＬの入り口側に設けてもよい。具体的には、燃焼排気逆止弁４３は、筐体１０ａ内で区画された燃料電池室Ｒ１に開口するカソードエア供給管１１ｃに設けられている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。
燃焼排気逆止弁４３が設けられる燃焼排気ラインＮＬの入口側は、カソードエア供給管１１ｃとエアブロア１１ｃ１とから構成されている。燃焼排気ラインＮＬの入口側は、エアブロア１１ｃ１がカソードエア供給管１１ｃのカソードエア供給口（カソードエア供給管１１ｃの開口端）に設けられている場合には、カソードエア供給管１１ｃに設けられたエアブロア１１ｃ１の開口部から燃料電池３４に接続されたカソードエア供給管１１ｃの接続部までを含むものである。エアブロア１１ｃ１がカソードエア供給管１１ｃの途中に設けられている場合には、カソードエア供給管１１ｃのカソードエア供給口（カソードエア供給管１１ｃの開口端）から燃料電池３４に接続された接続部までを含むものである。

燃焼排気逆止弁４３が燃焼排気ラインＮＬの出口側に設けられていた場合、外部からの燃焼排ガス（例えば、ボイラーが並設されていた場合のボイラーからの燃焼排気、家の近くの駐車場で自動車が停車していた場合の自動車からの燃焼排気）に曝されることとなり、燃焼排ガスに含まれる水蒸気等により燃焼排気逆止弁４３の劣化を早めたり故障を生じたりするおそれがある。第２実施形態における燃焼排気逆止弁４３は、筐体１０ａ内にある燃料電池室Ｒ１に設けられたカソードエア供給管１１ｃに設けられているので、外部の燃焼排ガスを原因として、劣化を早めたり故障を生じたりするのを防止することができる。

上述した説明から明らかなように、第２実施形態においては、燃焼排気逆止弁４３は、燃焼排気ラインＮＬの入口側にあるカソードエア供給管１１ｃに設けられている。
これによると、燃焼排気逆止弁４３は、外部の燃焼排ガスが直接的に接することのない筐体１０ａ内に設けられている。そのため、外部からの燃焼排ガスの水蒸気などによる影響によって燃焼排気逆止弁が劣化することを防止することができる。

（実施例３）
次に、本発明による燃料電池システムの第３実施形態について図７に基づいて以下に説明する。
本実施形態では、筐体７０が、内壁部７０ａと内壁部７０ａを全体的に覆う外壁部７０ｂとの２重構造に形成され、煙突部５３の内管５３ａと外管５３ｂとの間の吸気用流路ＦＰ１が、内壁部７０ａと外壁部７０ｂとの間に縦横に巡らされる周囲流路７０ｃに連通している点において第１実施形態と大きく相違する。

本実施形態の燃料電池システムは、図７において、筐体７０の左下部に筐体７０内に開口する吸気口１０ｃが設けられ、吸気口１０ｃには換気ファン４２が設けられている。換気ファン４２は、周囲流路７０ｃの空気を吸い込んで燃料電池モジュール１１が設けられた筐体７０内に導入する。筐体７０内には、燃料電池モジュール１１内の図略の燃料電池に連通するカソードエア供給管１１ｃが開口している。

カソードエア供給管１１ｃの入口には、カソードエアブロワ１１ｃ１が設けられ、カソードエアブロワ１１ｃ１によって筐体７０内の空気が燃料電池モジュール１１内の燃料電池に送り込まれる。燃料電池モジュール１１の構成は、第１実施形態と同様である。

燃料電池モジュール１１からは図略の燃焼部で燃焼された燃焼排ガスを排気する排気管１１ｄが設けられ、排気管１１ｄは煙突部５３に連通している。煙突部５３の内管５３ａには燃焼排ガス用排気口１０ｅと換気用排気口１０ｄとが開口している。排気管１１ｄは燃焼排ガス用排気口１０ｅに連通している。

換気用排気口１０ｄは、カソードエア供給管１１ｃに取り込まれなかった筐体７０内の空気であって、筐体７０内を流通した空気を煙突部５３に導出する。換気用排気口１０ｄより排出された換気排気と燃焼排ガス用排気口１０ｅより排出された燃焼排ガスとは煙突部５３の内管５３ａ内で合流されて外部に排気される。排気管１１ｄの燃焼排ガスが換気排気と合流される手前の位置には燃焼排気逆止弁４３が設けられている。換気用排気口１０ｄには換気排気逆止弁４１が設けられている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態における燃料電池システムによると、筐体７０が内壁部７０ａと外壁部７０ｂの２重構造で形成されているので、燃料電池モジュール１１等から何らかの気体が筐体７０内に噴出した場合でも、筐体７０外への漏れ出すことを抑制する。また、外壁部７０ｂと内壁部７０ａとの間の周囲流路７０ｃは、換気ファン４２によって負圧になっているので、周囲流路７０ｃまで入り込んだ何らかの気体が、外壁部７０ｂの外まで漏れ出すことを防止することができる。その他の作用効果は、第１実施形態と同様である。

斯様に、上記した実施の形態で述べた具体的構成は、本発明の一例を示したものにすぎず、本発明はそのような具体的構成に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採り得るものである。

１０ａ…筐体、１０ｃ…吸気口（吸気部）、１０ｄ…換気用排気口（排気部）、１１…燃料電池モジュール、１１ｃ…カソードエア供給管、１１ｃ１…カソードエアブロワ（流量調整部）、１１ｄ…排気管、１１ｃ２…流量センサ（流量検出装置）、１１ｆ…温度センサ（温度検出装置）、１１ｇ…可燃ガス濃度センサ（可燃ガス濃度検出装置）、１５…制御装置（燃焼排気ライン異常検出部・第一筐体内異常検出部・第二筐体内異常検出部）、３１…ケーシング、３４…燃料電池、３６…燃焼部、４１…換気排気逆止弁、４３…燃焼排気逆止弁、７０…筐体、ＫＬ…換気排気ライン、ＮＬ…燃焼排気ライン、Ｒ１…燃料電池室。

Claims

燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池からのアノードオフガスと前記燃料電池からのカソードオフガスとが燃焼されて燃焼排ガスを生成する燃焼部と、
断熱性材料で形成されて前記燃料電池および前記燃焼部を内部に気密に収容するケーシングと、
前記ケーシングを内部に収容する筐体と、
前記筐体に設けられ外部からの気体を吸い込む吸気部および前記筐体に設けられ該筐体内の気体を排出する排気部を備え、前記吸気部から導入した外部からの空気が前記筐体内部を流通して前記排気部から導出する換気排気ラインと、
前記筐体と前記燃料電池とを連通して前記筐体内の前記酸化剤ガスを含む空気を前記燃料電池に供給するカソードエア供給管、および前記燃焼部と前記筐体の外部とを連通して、前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを外部に導出する排気管を備え、前記換気排気ラインの途中から分岐して独立に設けられた燃焼排気ラインと、
前記換気排気ラインに設けられ前記筐体の外部からの燃焼排ガスが前記排気部を通って前記筐体内部に逆流することを防ぐ換気排気逆止弁と、
前記燃焼排気ラインに設けられ前記筐体の外部からの燃焼排ガスが前記排気管を通って前記筐体内部に逆流することを防ぐ燃焼排気逆止弁と、
を備え、
前記燃焼排気逆止弁は、前記燃焼排気ラインの入口側に設けられている燃料電池システム。
前記換気排気逆止弁は、前記換気排気ラインの出口側に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃焼排気ラインを流れる気体の流量を検出する流量検出装置と、
前記流量検出装置によって検出された前記気体の流量から、前記燃焼排気ラインの異常を検出する燃焼排気ライン異常検出部と、をさらに備えている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記筐体内に設けられ前記筐体内の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置と、
前記可燃ガス濃度検出装置によって検出された前記可燃ガス濃度から、前記筐体内の可燃ガス濃度の異常を検出する第一筐体内異常検出部と、をさらに備えている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記筐体内に設けられ前記筐体内の温度を検出する温度検出装置と、
前記温度検出装置によって検出された前記筐体内の温度から、前記筐体内の温度の異常を検出する第二筐体内異常検出部と、をさらに備えている請求項１または２に記載の燃料電池システム。